基于GaN HEMT Doherty寬帶功率放大器

程知群，張 明，李江舟

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于GaN HEMT Doherty寬帶功率放大器

程知群，張 明，李江舟

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

研究了寬帶Doherty功率放大器設(shè)計(jì)的相關(guān)問題.為了拓寬Doherty功率放大器的帶寬，提出了一種新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò).采用CREE半導(dǎo)體公司的GaN HEMT功放管CGH40010F，應(yīng)用新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一款寬帶Doherty功率放大器并進(jìn)行了實(shí)物加工測(cè)試.主功放工作在AB類，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-2.7 V；輔功放工作在C類，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-5.5 V.測(cè)試結(jié)果顯示，新型寬帶Doherty功率放大器實(shí)物在1.5～2.3 GHz的800 MHz帶寬內(nèi)，飽和輸出功率為42.66～44.39 dBm，飽和效率在52%～66%之間，輸出功率回退6 dB處的效率在46%～50%之間，相對(duì)帶寬為42.1%，且增益平坦，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性.

Doherty功率放大器；寬帶；負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)；效率

0 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻微波技術(shù)在人們的日常生活中越來(lái)越重要.為了在有限的頻譜帶寬內(nèi)傳輸盡可能大的數(shù)據(jù)量，通信商通常采用非常復(fù)雜的調(diào)制方式，而這將導(dǎo)致信號(hào)的峰均比(Peak to Average Power Ratio， PAPR)變大，而使用傳統(tǒng)的功率放大器如A類、AB類對(duì)非恒包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行放大效率很低，尤其在大功率回退的時(shí)候效率更低[1-2].各種提高功率放大器效率的技術(shù)已在相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道[3-9]，在諸多技術(shù)中，Doherty功率放大器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能卓越且成本較低而成為當(dāng)今無(wú)線通信所采用功率放大器的主流形式[10].一個(gè)典型的Doherty功率放大器包括主輔兩個(gè)功率放大器，主輔功放輸入端由功分器將信號(hào)一分為二分別輸入，輸出端通過一個(gè)負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)合路輸出，根據(jù)輸入信號(hào)的大小動(dòng)態(tài)調(diào)制主輔功率放大器的有效負(fù)載阻抗，從而使Doherty功放在輸出功率大幅度回退的情況下仍然具有很高的效率[11].但傳統(tǒng)Doherty功率放大器也有一定的弊端，如負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)中λ/4傳輸線限制了Doherty功放的工作帶寬，面對(duì)頻譜資源的日益短缺，能同時(shí)覆蓋多個(gè)工作頻段并兼容多種協(xié)議制式的無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)已經(jīng)成為無(wú)線技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn).因此，寬帶Doherty功率放大器已經(jīng)成為近年來(lái)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)[12].

本文在分析傳統(tǒng)Doherty功放的負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬的影響基礎(chǔ)上，提出了一種新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)以提高Doherty功放帶寬，實(shí)現(xiàn)了1.5～2.3 GHz的寬帶Doherty功率放大器.

1 理論分析

1.1 傳統(tǒng)Doherty功放的帶寬限制因素

傳統(tǒng)Doherty功放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.在低功率輸入時(shí)，主功放工作，輔助功放截止.負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)使得主功放的輸出阻抗兩倍于最優(yōu)阻抗，使得主功放在電流僅有最大輸出電流一半的時(shí)候電壓已經(jīng)達(dá)到了飽和，因此，效率達(dá)到最高.當(dāng)輸入功率繼續(xù)增大時(shí)，輔助功放開啟，使得主功放輸出阻抗減小，電壓飽和而電流增大，使得輸出功率繼續(xù)增大.主輔功放輸出阻抗最終都減小至最優(yōu)阻抗，主輔功放均達(dá)到飽和，Doherty功放效率和輸出功率都達(dá)到最高.

Doherty功放中，負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)中的兩段λ/4傳輸線是限制帶寬的主要因素，而起最主要限制因素的是主功放輸出端的一段λ/4傳輸線.文獻(xiàn)[13]給出了λ/4傳輸線的工作帶寬表達(dá)式：

(1)

其中，Δf/f0為λ/4阻抗變換線的相對(duì)帶寬；Γm為最大能接受的反射系數(shù)；Zin和Zout為λ/4傳輸線輸入、輸出兩個(gè)端口的阻抗值；可見，為了增大相對(duì)帶寬(即Δf/f0的值)，可通過減小Zin和Zout的比值來(lái)實(shí)現(xiàn).

1.2 新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)分析

圖1中，傳統(tǒng)Doherty主功放輸出端的λ/4傳輸線特性阻抗為50 Ω，在低功率輸入時(shí)，將主功放輸出阻抗通過負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)從25 Ω調(diào)制至100 Ω，阻抗變換比為4∶1，阻抗變換比較大，這極大地限制了Doherty功放的帶寬.

圖1 傳統(tǒng)Doherty功放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 新型寬帶Doherty功放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

基于新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)的Doherty功放電路原理框圖如圖2所示.可以看到，主功放輸出端采用了特性阻抗為70.7 Ω的λ/4傳輸線.在低功率輸入時(shí)，將主功放輸出阻抗通過新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)從50 Ω調(diào)制至100 Ω，阻抗變換比為2∶1，由式(1)可知，由于阻抗變換比的減小，新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)將增大Doherty功放的帶寬.同時(shí)該結(jié)構(gòu)消去了整體Doherty合路輸出端的35 Ωλ/4傳輸線，減小了負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)的尺寸，使Doherty功放輸出端更為緊湊.新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)帶寬的仿真結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看到，新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)在較寬的頻帶內(nèi)保持了主功放輸出端阻抗的恒定，因此使得Doherty功放在較寬的頻帶內(nèi)可以維持穩(wěn)定的性能.

2 新型寬帶Doherty功放設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性，采用CREE公司的CGH40010F功放管，板材選用Rogers4350B(板材厚度H=10 mil，介電常數(shù)εr=3.66).應(yīng)用新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一款寬帶Doherty功率放大器并進(jìn)行了實(shí)物加工測(cè)試.主功放工作在AB類，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-2.7 V；輔功放工作在C類，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-5.5 V.

新型寬帶Doherty功率放大器實(shí)物電路圖如圖4所示.為了更直觀地觀察寬帶Doherty功放在整個(gè)頻帶內(nèi)的特性，對(duì)寬帶Doherty功放實(shí)物在1.4～2.4 GHz頻帶內(nèi)使用單音連續(xù)波進(jìn)行測(cè)試.圖5、圖6分別為新型寬帶Doherty功放在1.4～2.4 GHz的帶寬內(nèi)飽和點(diǎn)和輸出功率回退6 dB點(diǎn)的效率、輸出功率和增益的測(cè)試數(shù)據(jù).可以看出，所設(shè)計(jì)的新型寬帶Doherty功率放大器在1.5～2.3 GHz的800 MHz帶寬內(nèi)，飽和輸出功率為42.66～44.39 dBm，飽和效率在52%～66%之間，輸出功率回退6 dB處的效率在46%～50%之間，相對(duì)帶寬為42.1%，且增益平坦.

圖3 新型方案與傳統(tǒng)方案主功放輸出阻抗對(duì)比

圖4 新型寬帶Doherty功率放大器實(shí)物圖

圖5 實(shí)測(cè)寬帶Doherty功放飽和點(diǎn)性能

圖6 實(shí)測(cè)寬帶Doherty功放6 dB回退點(diǎn)性能

本文設(shè)計(jì)方法與近幾年相關(guān)文獻(xiàn)方法的性能比較如表1所示.

表1 本文設(shè)計(jì)與近幾年國(guó)外發(fā)表論文的性能比較

從表1中可以看出，相比于文獻(xiàn)[15-17],本文設(shè)計(jì)的新型寬帶Doherty功放的帶寬性能最好，相對(duì)帶寬高達(dá)42.1%，且回退效率和飽和輸出功率也相對(duì)較高.而相比于文獻(xiàn)[14]，相對(duì)帶寬相同，但此次設(shè)計(jì)的回退效率高于文獻(xiàn)[14]；相比于目前性能較為優(yōu)越的文獻(xiàn)[2],本次設(shè)計(jì)的相對(duì)帶寬略有遜色，但回退效率高于文獻(xiàn)[2].

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用GaN HEMT晶體管完成了一款Doherty功率放大器的設(shè)計(jì).根據(jù)版圖加工實(shí)物并測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，飽和輸出功率回退6 dB后的效率在46%～50%之間，相對(duì)帶寬高達(dá)42.1%，基于新型負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)的寬帶Doherty功率放大器較好地解決了傳統(tǒng)Doherty功放帶寬較窄的問題.

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Broadband Doherty Power Amplifier Based on GaN HEMT

CHENG Zhiqun, ZHANG Ming, LI Jiangzhou

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

This paper studies the issues related to design of broadband Doherty power amplifier. To extend bandwidth of Doherty power amplifier, a new load modulation network is proposed. In order to verify the actual feasibility of using CREE Semiconductor GaN HEMT power amplifier tube CGH40010F, application of new load modulation network design a broadband Doherty power amplifier and a physical test process. Main amplifier biased class AB, the DC bias ofVds=28 V,Vgs=-2.7 V; auxiliary amplifier biased class C, the DC bias ofVds=28 V,Vgs=-5.5 V. Test results show that the new broadband Doherty power amplifier saturation output power of 42.66-44.39 dBm, and saturation efficiency between 52% to 66% from 1.5 to 2.3 GHz. And from 46% to 50% drain efficiency is achieved at 6dB back-off power, accounting for 42.1% fractional bandwidth and gain flatness.

Doherty power amplifier; broadband; load modulation network; efficiency

10.13954/j.cnki.hdu.2017.02.001

2016-09-11

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LZ16F010001)；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究資助項(xiàng)目(2016C31070)；浙江省大學(xué)生新苗人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016R407065)

程知群(1964-)，男，安徽巢湖人，教授，射頻電路與系統(tǒng).

TN454

A

1001-9146(2017)02-0001-04